AVALIAÇÃO DE UM SISTEMA IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO COM APLICAÇÃO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA

AVALIAÇÃO DE UM SISTEMA IRRIGAÇÃO POR ASPERSÃO COM

APLICAÇÃO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA

JOÃO ALBERTO BORGES DE ARAÚJO

ODIVALDO JOSÉ SERAPHIM

JAIR ANTONIO CRUZ SIQUEIRA

FELIX ABRÃO NETO

1

Prof. Dr. do Depto. De Engenharia de Produção – FATEC/Botucatu –

araújo@fca.unesp.br

2

Prof. Adjunto do Depto. de Engenharia Rural –UNESP/FCA –

seraphim@fca.unesp.br

3

Prof. MSc. do CCET – UNIOESTE/Cascavel e Doutorando em Energia na

Agricultura – UNESP/FCA –

jairsiqueira@fca.unesp.br

4

Prof. MSc. do DEL – UFMS/Campo Grande e Doutorando em Energia na

Agricultura – UNESP/FCA –

felix@nin.ufms.br

1. Resumo

Este trabalho teve o objetivo de avaliar a aplicação do inversor de freqüência sobre os parâmetros elétricos e hidráulicos no manejo de um sistema de irrigação por aspersão. Utilizou-se de um sistema de bomeamento convencional por aspersão com 4 linhas manejadas alternadamente, constando o manejo da abertura de 1, 2, 3 e 4 linhas simultaneamente. Posteriormente, no sistema convencional foi acoplado um sistema de acionamento com rotação variável, composto por um transdutor de pressão e um inversor de freqüência, os quais atuaram variando a rotação do conjunto motobomba e adequando a pressão pré-estabelecida em relação a variação de vazão requerida pelo sistema. Os resultados encontrados permitiram avaliar que no sistema com inversor de freqüência, houve redução do consumo de energia e a pressão de serviço dos aspersores foi mantida, variando apenas a vazão requerida, conforme o manejo das linhas.

Palavras-chave:

manejo de irrigação, consumo de energia, parâmetros hidráulicos

1.1 Abstract

This work had the objective of to evaluate the application of inverter frequency drive on the electric and hydraulic parameters in the sprinkling irrigation system handling. Was used a water pump conventional system for sprinkling with 4 handled lines alternately, consisting the handling of the opening of 1, simultaneously 2, 3 and 4 lines and enrolling the electric energy consumption and the hydraulic parameters of the system. Later on, in the conventional system was coupled an starting system with variable rotation, composed by a pressure transducer and a inverter frequency drive, which acted varying the water pump rotation and adapting the preset pressure in relation to flow variation requested by the system. The found results allowed to evaluate that for the handling of 1, 2 and 3 lines simultaneously the system with inverter frequency drive, there was reduction of the electric energy consumption and the service pressure of the sprinkling was maintained, just varying the requested flow, according to the lines handling.

Keywords:

2. Introdução

Os sistemas de irrigação são projetados para fornecer a máxima vazão requerida quando todas as linhas estão em funcionamento simultâneo e a motobomba é dimensionada para suprir esta vazão (HANSON et al., 1996). Desta forma, em sistemas em que ocorra o manejo de linhas de irrigação,

em termos de demanda de energia elétrica pela força motriz do sistema. Com isto, verifica-se um potencial significativo de racionalização do uso da energia elétrica nestas condições de operação (SHINDO & SOARES, 1998). Observa-se, portanto, a necessidade de adequação da força eletro-motriz à carga hidráulica requerida no manejo das linhas. TIAGO FILHO (1996) estudou um equipamento próprio para produzir este efeito com rapidez e eficiência, o inversor de freqüência, que é um equipamento eletro-eletrônico capaz de controlar a rotação de motores elétricos de indução, mantendo uma relação entre freqüência e tensão constante, onde se reduzindo a tensão, através de transformador de tensão, reduz-se automaticamente a freqüência, com conseqüente redução da corrente elétrica e, portanto, redução da potência requerida. SANGUEDO & STEPHAN (1997) e OTTOBONI (2002), citam que os inversores de freqüência podem ser empregados em diferentes processos industriais onde é necessário o controle de velocidade, abrindo espaço para o uso de máquinas de corrente alternada, trazendo como benefícios elevado rendimento e alto fator de potência.

CAMPANA et al (2000), verificou a viabilidade técnica e econômica da utilização de inversores de freqüência para racionalização do uso de energia elétrica em um sistema de irrigação tipo pivô central de média pressão.

Em vista do exposto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a aplicação do inversor de freqüência para a racionalização do consumo de energia elétrica em um sistema de irrigação por aspersão, adequando e ajustando os parâmetros hidráulicos dentro das características requeridas pelo sistema.

3. Material e Métodos

O experimento foi realizado na Fazenda Experimental Lageado na Faculdade de Ciências Agronômicas – FCA/UNESP, município de Botucatu – SP, situado nas coordenadas de 48º 25’ 42” W e 22º 51’04” S, na altitude de 760 metros em relação ao nível do mar. O sistema de irrigação foi

instalado em uma área de 1.728 m2, composto por uma linha principal de 2” e quatro linhas

laterais, também de 2”, com válvula solenóide de 1 ½” instalada no inicio da tubulação lateral. O espaçamento entre linhas e aspersores foi de 12 x 12 m, conforme apresentado pelo esquema elétrico e hidráulico da Figura 1. Em cada linha lateral foram instalados dois aspersores rotativos

operando com pressão de serviço definida em 215,74 kPa para uma vazão de 1,33 m3/ h. Para

fornecer a vazão requerida pelos aspersores, instalou-se uma bomba da marca WORTINGTON,

tamanho 1 ½” x 1”x 6”, diâmetro do rotor 6” com vazão máxima 14m3/ h , pressão máxima de

588,40 kPa, com rotação de 3530 rpm, motor KOLBACH, modelo KT112M, trifásico, potência de 5 cv. Para a medição de vazão do sistema utilizou-se um hidrômetro HIDROMETER Modelo 900-D, PN-10, BSP com fundo de escala de 10 litros. Avaliou-se o volume registrado no hidrômetro a cada 5 minutos. Pela relação entre o volume registrado e o intervalo de tempo, calculou-se a vazão. Na tubulação de saída da bomba e no final das linhas laterais foram instalados manômetros analógicos da marca RECORD com escala de 19,61 a 980,67 kPa. No sistema com variação de rotação foi instalado um Inversor de freqüência da marca YASKAWA, modelo vs-606 v7, trifásico em 220 volts e um transdutor de pressão ZURICH, modelo psi-420. O transdutor de pressão foi conectado ao inversor e instalado na tubulação de saída da bomba, de forma a transmitir para o inversor o sinal correspondente à pressão de serviço dos aspersores. A rotação da motobomba foi avaliada por meio de um tacômetro digital, com escala de 0 a 4000 rpm, marca EURO-CONTROL, modelo Tm –500. Conectou-se à rede elétrica um analisador e registrador de grandezas elétricas da marca ESB, modelo SAGA 4000 para aquisição dos valores de tensão, corrente e potência elétrica consumida pelo conjunto motobomba, como pode ser observado na Figura 2. Os parâmetros elétricos e hidráulicos foram coletados manejando-se as linhas laterais com a abertura e fechamento das válvulas solenóides. Sendo que simulou-se o sistema funcionando com 1, 2, 3 e 4 linhas abertas. Os dados obtidos foram tabulados e elaborados gráficos e tabelas para a avaliação dos parâmetros hidráulicos do sistema.

Figura 1. Esquema elétrico e hidráulico do sistema de irrigação convencional e com a utilização de inversor de freqüência.

Figura 2 - Esquema elétrico das instalações dos equipamentos para avaliação dos parâmetros elétricos, com a utilização do inversor de freqüência.

Os Quadros 1 e 2 apresentam os valores dos parâmetros hidráulicos e elétricos medidos para o sistema com acionamento convencional e o sistema com o uso de inversor de freqüência, respectivamente. Observou-se que em todas as combinações de linhas abertas, o consumo de energia no sistema de irrigação com inversor de freqüência foi inferior ao sistema sem inversor, como apresentado na Figura 4. A redução do consumo de energia deve-se a redução da rotação do conjunto motobomba obtida no sistema com inversor de freqüência (Figura 3). Verificou-se, também que a corrente elétrica no sistema com inversor apresentou valores inferiores ao do sistema convencional com a abertura de até 3 linhas simultaneamente, sendo que para abertura do número máximo de linhas o valor da corrente excedeu o valor medido no sistema convencional (Figura 5). O valor de corrente elétrica encontrado para o sistema com inversor quando as quatro linhas estavam abertas foi majorado devido ao consumo de energia do próprio inversor. O sistema com inversor apresentou um consumo de energia elétrica total, para o manejo de todas as combinações de linhas de irrigação, 58,45% inferior em média ao do sistema sem inversor de freqüência. Na Figura 6 observa-se que no sistema com rotação constante, quando se manejou um número de linhas laterais inferior ao total, o valor da pressão do sistema elevou-se significativamente. Sendo que, para o manejo de 1, 2 e 3 linhas os valores de pressão do sistema foram de 529,56, 500,14 e 333,43 kPa, como pode ser observado no Quadro 1. Enquanto que no sistema com rotação variável com o uso do inversor de freqüência e transdutor de pressão, a pressão do sistema foi mantida de acordo com a pressão de serviço do sistema com qualquer número de linhas manejadas, como pode ser visualizado na Figura 7. Sendo que para isto o inversor, através do sinal enviado pelo transdutor, reduziu a rotação do motor e portanto, a rotação da bomba, ajustando a pressão de serviço e fornecendo a vazão requerida pelo número de linhas laterais abertas, como pode ser verificado no Quadro 2.

Quadro 1. Valores médios dos parâmetros elétricos e hidráulicos medidos no sistema de irrigação operando com acionamento convencional.

Leitura de Instrumentos Leituras do SAGA 4000

Linhas Abertas Rotação [rpm] HM [kPa] vazão [m³/h] Consumo de energia [kWh] Q [kVAr] S [kVA] FP I [A] F [Hz] Carregamento(%) 1 3569 529,56 2,77 3,00 2,34 3,80 0,79 9,87 59,48 74,61 2 3562 500,14 5,60 3,35 2,39 4,12 0,8110,68 59,38 80,89 3 3558 333,43 8,41 3,55 2,44 4,31 0,8211,16 59,32 84,62 4 3557 215,75 10,32 3,56 2,39 4,29 0,8311,18 59,29 84,23 Média 3562 394,72 6,77 3,37 2,39 4,13 0,8110,72 59,37 81,09

Quadro 2. Valores médios dos parâmetros elétricos e hidráulicos medidos no sistema de irrigação com a utilização do inversor de freqüência.

Leitura de Instrumentos Leituras do SAGA 4000

Linhas Abertas Rotação [rpm] HM [kPa} vazão [m³/h] Consumo de energia [kWh] Q [kVAr] S

[kVA] FP I [A] f [Hz] Carregamento(%)

1 2400 215,74 2,86 1,17 1,29 1,74 0,67 5,33 39,80 34,16

2 2485 215,74 5,40 1,41 1,09 1,79 0,79 6,23 41,00 35,14

3 2670 215,74 7,67 1,86 1,77 2,56 0,72 8,10 44,00 50,26

4 3460 215,74 10,44 3,45 3,21 4,71 0,7314,0058,00 92,47

2300 2500 2700 2900 3100 3300 3500 3700 1 2 3

Número de Linhas Abertas

R ot aç ão ( rpm ) 4

Rotação Sem Inversor [rpm] Rotação Com Inversor [rpm]

Figura 3. Variação da rotação do conjunto motobomba dos sistemas em rpm.

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 1 2 3 4

Número de Linhas Abertas

Consumo de energia elétrica

sem inversor 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Consumo de energia elétrica

com inversor

sem inversor com inversor

Figura 4. Consumo de energia elétrica dos sistemas em função do número de linhas abertas.

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4

Número de Linhas Abertas

C or rent e E lét ri c a ( A )

Corrente Sem Inversor [A] Corrente Com Inversor [A]

2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 1 2 3 4

N ú m ero d e L in h as A b ertas - S istem a sem in v erso r

Va z ã o (m 3 /h) 100 200 300 400 500 600

Altura Manométrica (kPa)

Q H M (kP a)

Figura 6. Parâmetros hidráulicos medidos em função do número de linhas abertas – sem inversor de freqüência. 2 ,0 0 3 ,0 0 4 ,0 0 5 ,0 0 6 ,0 0 7 ,0 0 8 ,0 0 9 ,0 0 10 ,0 0 11 ,0 0 12 ,0 0 1 2 3 4 Nú m e r o d e L in h a s A b e r t as - Sis t e m a co m in ve r s o r Vazão (m3/h) 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00

Altura Manométrica (kPa)

Q HM ( kPa )

Figura 7. Parâmetros hidráulicos medidos em função do número de linhas abertas – com inversor de freqüência.

5. Conclusão

Os resultados obtidos nas condições de realização do experimento permitiram concluir que o sistema com rotação variável com o uso do inversor de freqüência conectado ao transdutor de pressão reduziu o consumo de energia elétrica no sistema na ordem de 58%.

Conclui-se, também, que o sistema com inversor de freqüência e transdutor de pressão possibilitou o controle efetivo da pressão de serviço do sistema de irrigação, sem prejuízo para a vazão requerida pelo sistema de acordo com o manejo das linhas laterais de irrigação do sistema.

6. Referências Bibliográficas

CAMPANA, S. et al. Inversor de freqüência – uma alternativa para racionalização do uso de energia elétrica em sistemas de irrigação Pivô Central. In: AGRENER 2000 - ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL, 3, 2000, Campinas. Anais... Campinas: NIPE/UNICAMP, 2000. CD-ROM.

HANSON, B., WEIGAND, C., ORLOFF, S. Performance of electric irrigation pumping plants using variable frequency drives. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, May/June, p. 179-82, 1996.

OTTOBONI, A. A evolução do controle de velocidade. Saber Eletrônica, São Paulo, p.14, set. 2002.

SANGUEDO, C.A.; STEPHAN, R. Aplicação de conversores eletrônicos em áreas classificadas. Eletricidade Moderna, São Paulo, n. 276, p. 48-60, 1997.

SHINDO R.; SOARES G. A. Avaliação da precisão de métodos práticos de determinação do carregamento de motores de indução trifásicos. In: CONFERÊNCIA DE APLICAÇÕES INDUSTRIAIS, São Paulo: 1998. Anais... Editora Tec Art., v. 3, p. 177 e 179.

TIAGO FILHO, G.L. Uso de bombas com rotação variável. Itajubá: Escola Federal de Engenharia de Itajubá, 1996. 19 p.